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FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO Realizzato da: Michela Caporale & Nicolò Fusco
IL CARBONIO Il carbonio (C) è un elemento classificato come non metallico con numero atomico 6. Ciò significa che ha sei protoni nel nucleo e lo stesso numero di elettroni nella forma non ionizzata. Sebbene sia relativamente raro nella crosta terrestre, forma più composti di qualsiasi altro elemento. È un elemento chiave di tutti gli organismi viventi; costruisce la struttura di proteine, carboidrati e grassi. È presente nell’atmosfera sotto forma di anidride carbonica (CO2), che è una delle fasi del ciclo del carbonio in natura.
LE VARIETA’ DI CARBONIO ALLOTROPICO La struttura composta da atomi di carbonio può assumere molte strutture fisiche. Questo fenomeno è indicato come varietà allotropiche di carbonio. L’allotropia è un fenomeno che colpisce un gran numero di metalli e non metalli. É un processo che si verifica quando sostanze e minerali hanno una composizione chimica uguale ma un assetto morfologico diverso. Possono avere una struttura cristallina o molecolare e differire per il numero di atomi nella molecola. Le varietà di carbonio allotropico più conosciute presenti in natura sono la grafite e il diamante, estremamente differenti per colore, struttura e morbidezza.
LA SCALA DI MOHS La durezza rappresenta la resistenza di un materiale a essere scalfito e dipende dalla forza dei legami chimici tra le sue particelle. Si misura con la scala di Mohs, composta da 10 minerali scelti come indici disposti in ordine crescente di durezza. Il primo, il più morbido è il talco(come anche la grafite), l’ultimo è il diamante. Ogni minerale della scala scalfisce quelli che lo precedono ed è scalfito da quelli che lo seguono.
LA GRAFITE La grafite è un minerale sfaldabile, grigio-nero, untuoso e sporco al tatto. Inoltre, è un ottimo conduttore di elettricità e calore, è insolubile in acqua ed ha proprietà lubrificanti. Si presenta in due tipi di strutture: esagonale e trigonale, e i suoi atomi sono collegati tra loro in una rete di piani paralleli. Proprio come gli altri allotropi di carbonio, la grafite è resistente alle alte temperature. Viene utilizzato per la produzione di elettrodi e crogioli (Recipiente di forma troncoconica, di materiale resistente ad alte temperature, per la fusione di metalli), recipienti ignifughi (non infiammabili) e mattoni refrattari. Inoltre, trova impiego nella produzione di lubrificanti, vernici anticorrosive e agenti lucidanti. La grafite si trova in natura nelle rocce metamorfiche e al giorno d’oggi, il suo più grande produttore è la Cina. Per scopi commerciali, la grafite è ottenuta dalla pirolisi (Processo chimico che consiste nella decomposizione di una sostanza complessa mediante trattamento termico) dell’antracite in atmosfera di azoto.
IL DIAMANTE Il diamante è il minerale più duro al mondo, valutato 10 sulla scala Mohs a 10 punti. Si presenta come cristalli tetraedrici con elevata lucentezza e trasparenza parziale. I diamanti più preziosi sono incolori, ma a causa della contaminazione possono anche diventare gialli, rosa, blu o marroni. Non conducono elettricità ma sono buoni conduttori di calore. Sebbene la loro superficie possa essere graffiata solo da un altro diamante, sono relativamente fragili. I diamanti naturali si trovano principalmente nella kimberlite primaria e nei suoi depositi di frammenti formati dalla traslocazione. Le pietre di altissima qualità sono utilizzate principalmente in gioielleria. Diamanti di qualità inferiore e cristalli di derivazione sintetica sono anche un’importante materia prima industriale. Per la loro durezza, vengono utilizzati nella produzione di lame, trapani e abrasivi, ma anche per produrre elementi di apparecchiature mediche e scientifiche, tester di durezza e paste termoconduttrici.
QUANTO VALE UN CARATO Il carato è l’unità di misura con la quale si valutano i diamanti, nonché uno dei quattro criteri utilizzati dagli esperti per stabilirne il prezzo, insieme al taglio, la purezza e il colore. Possiamo dire che il valore di un diamante da 1 carato si situa attorno ad un range di 3500€ e i 4900€, tenendo sempre presente le variabilità del mercato.
IL GRAFENE Uno degli ultimi allotropi di carbonio scoperti è il grafene. Si tratta di una struttura piatta composta da singoli atomi di carbonio disposti a forma di favo (composto di due facce con celle a sezione esagonale.). Poiché ha uno spessore di un atomo, è convenzionalmente considerato un materiale bidimensionale. Il grafene è un ottimo conduttore di calore ed elettricità. I suoi maggiori vantaggi includono anche la trasparenza e la velocità del flusso di elettroni estremamente elevata, persino superiore a quella del silicio. Inoltre, il grafene è estremamente duro e resistente allo stiramento. Queste proprietà indicano che il grafene può sostituire il silicio nell’industria elettronica. Al giorno d’oggi, le più utilizzate sono la deposizione chimica da vapore (CVD) e la decomposizione termica del carburo di silicio. Il metodo originale per staccare lo strato di atomi di carbonio con l’uso del nastro adesivo viene talvolta utilizzato anche per scopi di laboratorio.
STORIA DEL GRAFENE Il Grafene è stato scoperto in modo più o meno involontario all'interno di un laboratorio inglese (Manchester) nel 2004 da due fisici russi; l'obiettivo era infatti quello di ottenere delle strutture sempre più sottili di grafite. Noto è diventato il metodo con il quale i due scienziati sono arrivati alla loro scoperta, ovvero grazie all'utilizzo del "nastro adesivo" con cui hanno rimosso strato dopo strato i livelli superficiali di grafite. La scoperta del Grafene ha valso ai due scienziati Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov il Premio Nobel per la Fisica nel 2010,(per "i pionieristici esperimenti riguardante il materiale bidimensionale grafene). Lo studio di questo materiale è stato in seguito intensificato e ora esistono un elevato numero di laboratori nel mondo totalmente dedicati alla ricerca sul Grafene
IL GRAFENE UTILIZZATO NELLA SOCIETA’ Le proprietà elettroniche, ottiche, termiche e meccaniche del grafene hanno aperto le porte alle sue numerose applicazioni commerciali pratiche che, secondo gli esperti, si svilupperanno dinamicamente nei prossimi decenni. Già oggi il grafene è considerato il successore del silicio nell’area elettronica. Questo conduttore trasparente e flessibile può essere utilizzato per produrre celle fotovoltaiche, display arrotolabili e touch panel, nonché luci a LED. Inoltre, aumenta significativamente la frequenza dei segnali elettromagnetici, consentendo la produzione di transistor più veloci. Anche i sensori di grafene stanno suscitando notevole interesse. Grazie all’eccezionale sensibilità, possono rilevare singole molecole di sostanze pericolose, facilitando così il monitoraggio dell’ambiente. L’ossido di grafene distribuito nell’aria ha anche la capacità di rimuovere i contaminanti radioattivi. La prospettiva di sviluppare nuovi prodotti con il grafene aumenta ogni anno. Le applicazioni esistenti con il maggiore potenziale includono: • moderne reti elettriche; • sorgenti luminose ad alta efficienza energetica; • semiconduttori utilizzati nei dispositivi spintronici; • rivestimenti anticorrosivi più efficaci; • filtrazione dell’acqua per depurazione e dissalazione. Inoltre, ci sono speculazioni sull’uso potenziale del grafene per la produzione di componenti strutturali più leggeri e durevoli per automobili, aerei, navi e dispositivi. In combinazione con materiali artificiali, potrebbe essere utilizzato per creare, ad esempio, gomma termicamente conduttiva. A base di grafene, è già stata sviluppata una carta estremamente resistente in grado di condurre elettricità. Importante è anche la possibilità di utilizzare il grafene nel campo della biomedicina, sia in ambito diagnostico che terapeutico. L’ossido di grafene è caratterizzato da un’elevata biocompatibilità e un’eccellente solubilità. Ciò consente un dosaggio preciso di agenti antinfiammatori e antitumorali, nonché di enzimi e sostanze minerali. Poiché il grafene è un perfetto conduttore di calore, viene utilizzato anche per distruggere i tumori cancerosi. Il fenomeno della termolesione consente di utilizzare il calore da esso accumulato per ridurre il dolore ai tessuti. I fogli di grafene vengono utilizzati anche come biosensori e possono aiutare a diagnosticare il cancro e le malattie neurologiche (come epilessia o morbo di Parkinson) con dispositivi portatili.
IL FULLERENE Le molecole di fullerene, costituiteinteramente di carbonio, assumonouna forma simile a unasfera cava, a un ellissoide o a un tubolare. Sono strutturalmentesimiliallagrafite, ma sidifferenziano per alcunianelli di forma pentagonale o a volte ettagonalecheimpedisconounastrutturaplanare. Non è molto reattivo ed è ragionevolmenteinsolubilenellamaggioranzadeisolventi. Dal punto di vista chimico, ifullerenisono specie molto elettronegative e caratterizzate da un elevatogrado di insaturazione.
SITOGRAFIA e BIBLIOGRAFIA: • https://www.products.pcc.eu/it/blog/quali-sono-le-varieta-allotropiche-di-carbonio/ • https://www.bancodiamanti.com/cosa-e-carato/ • https://www.travelglobe.it/quanto-vale-un-carato-di-diamante-ecco-la-risposta/ • https://www.digimax.it/it/blog/grafene-cos-e-e-quali-sono-le-applicazioni-industriali-per-cui-sara-utilizzato-n451 • https://www.products.pcc.eu/it/blog/grafene-cose-e-a-cosa-serve/#:~:text=Gi%C3%A0%20oggi%20il%20grafene%20%C3%A8,panel%2C%20nonch%C3%A9%20luci%20a%20LED. • Fullereni - Wikipedia • Il pianeta ospitale: Aldo Zullini, Corrado Venturini
